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Polarizzazione della Griglia Controllo delle Valvole Termoioniche

In questo capitolo faremo una trattazione generale della polarizzazione della griglia di controllo delle valvole termoioniche.
Quanto di seguito si applica in linea generale a tutte le valvole, di segnale e di potenza. Verrà poi fatta una trattazione specifica per le valvole di potenza sia con catodo a riscaldamento diretto che indiretto.

Indice Argomento Corrente

1) Polarizzazione della Griglia Controllo delle Valvole Termoioniche: Prefazione.

2 - Polarizzazione automatica griglia di controllo delle valvole termoioniche.

3 - Generatore di tensione dedicato per polarizzazione griglia di controllo delle valvole termoioniche.

4 - Generatore di tensione dedicato per polarizzazione griglia di controllo e taratura del punto di lavoro.

5 - Generatore di tensione dedicato per polarizzazione griglia di controllo: problemi e complicazioni.

1 - Polarizzazione della Griglia Controllo delle Valvole Termoioniche: Prefazione

Per polarizzazione si intende l'applicazione delle giuste tensioni ai vari elettrodi allo scopo di ottenere il giusto punto di lavoro e, nell'ottica di più valvole in cascata, il giusto adattamento di impedenza fra i vari stadi.

Per un corretto funzionamento in classe "A" di una valvola la griglia di controllo deve mantenersi ad un potenziale di polarizzazione negativo rispetto al catodo, e questo si può ottenere in vari modi che cercheremo di descrivere in seguito.
Negli esempi e negli schemi utilizzati di seguito si usa sempre una valvola triodo termoionico, questo per semplicità, ma gli esempi sono validi anche per le altre tipologie di valvole.

2 - Polarizzazione automatica griglia di controllo delle valvole termoioniche

La polarizzazione automatica prevede l'inserimento di una resistenza fra catodo e massa nel collegamento della valvola a catodo comune.
Inserzione di una resistenza RK al di sotto del catodo, per il passaggio attraverso di essa della corrente anodica a riposo, produce un innalzamento del potenziale del catodo rispetto alla griglia che è collegata al potenziale di riferimento di massa tramite una resistenza.
Quindi il catodo è più positivo della griglia del valore Vg=Rk*Ia.
Questo metodo, chiamato polarizzazione automatica, ha diversi vantaggi come quello di essere facilmente implementabile ed economico ed ha una discreta capacità di autoregolazione al variare delle condizioni di funzionamento del circuito (Esempio: l'invecchiamento delle valvole, aumento o diminuzione della tensione anodica).
In pratica l'autoregolazione avviene nel seguente modo: quando la corrente che attraversa la valvola sale aumenta anche la caduta sulla resistenza Rk, quindi aumenta il potenziale negativo della griglia di controllo e la corrente diminuisce.
Viceversa quando la corrente diminuisce.
Praticamente si tratta di una reazione negativa in corrente che stabilizza il punto di lavoro della valvola.

La resistenza RK deve essere bypassata (tramite un condensatore posti in parallelo a Rk) dalla componente alternata di Ia, altrimenti si produce una controreazione locale che diminuisce l'amplificazione dello stadio.
In realtà se non esiste un anello di controreazione globale si fa una via di mezzo, ovvero per linearizzarne il comportamento dello stadio si bypassa solo una porzione più o meno grande di RK (in funzione del guadagno che si vuole ottenere).

Questo tipo di polarizzazione è usato di norma su tutti gli stadi di preamplificazione, negli stadi finali è molto usata ma induce una perdita di potenza dovuta alla resistenza serie sul circuito anodico la cui caduta di tensione si decurta alla tensione anodica effettiva e induce una conseguente notevole dissipazione di calore da parte di Rk.

A sinistra: Polarizzazione della griglia con resistenza Rk. Tutto funziona bene in regime statico (senza segnale di ingresso), mentre in regime dinamico la variazione di Ia produce una variazione di caduta di tensione su Rk che viene sottratta al segnale in ingresso innescando una controreazione locale in corrente, che da una parte stabilizza il punto di funzionamento della valvola e dall'altra riduce il guadagno.

A Sinistra: polarizzazione della griglia con resistenza Rk (Rk1+Rk2) in questo caso parzialmente bypassata dal condensatore Ck2. La resistenza Rk1 è adibita sia alla polarizzazione che alla reazione negativa (chiamata anche controreazione o degenerazione catodica) mentre Rk2 partecipa solo per la componente polarizzazione, essendo bypassata da Ck2 la componente alternata, quindi eliminata la controreazione.

Sotto, il circuito in cui è stata completamente rimossa la componente alternata dai capi di Rk tramite il condensatore Ck, quindi niente controreazione.
Il valore del condensatore deve essere scelto per avere un'impedenza molto minore del valore di Rk alla frequenza più bassa a cui dovrà lavorare l'amplificatore, questo in genere richiede delle capacità molto alte che vengono ottenute con un condensatore elettrolitico.
Nel caso di un amplificatore audio la frequenza più bassa è inferiore a 20Hz.
Di solito nel caso di un triodo preamplificatore la tensione massima di lavoro di Ck è abbastanza bassa, quindi le dimensioni di Ck sono contenute anche per alte capacità.

In questo caso, come visto in precedenza, in regime statico abbiamo una controreazione in corrente che stabilizza il punto di lavoro della valvola, in regime dinamico nessuna controreazione grazie a Ck che bypassa la componente alternata della tensione ai capi di Rk.

Nell'immagine sotto il circuito in cui è stata completamente rimossa la componente alternata dai capi di Rk tramite il condensatore Ck, quindi anche in questo caso niente controreazione.
La particolarità di questo circuito è il trimmer P1 che permette di regolare finemente la polarizzazione negativa della griglia di controllo della valvola V1 parzializzando la tensione presente ai capi di Rk.
In questo modo agendo sulla taratura si regola la tensione negativa di griglia fino a che in regime statico la tensione Vak (tensione anodo-catodo della valvola) è uguale alla tensione VRc (tensione ai capi della resistenza di carico Rc) per avere la massima elongazione possibile del segnale in uscita.

Ovviamente questo circuito funziona anche nel caso Ck sia assente, quindi in presenza di reazione negativa. In questo caso varia anche la reazione negativa ed influisce anche sull'amplificazione dello stadio. P1 ed R1 devono avere un valore Ohmnico molto più grande di Rk in modo da non alterare l'impedenza del gruppo Rk-Ck. Il gruppo R2-C3 serve solo per abbassare la tensione di polarizzazione anodica dello stadio e per ridurre il ripple di alimentazione residuo.

3 - Generatore di tensione dedicato per polarizzazione griglia di controllo delle valvole termoioniche

Per quello che riguarda un generatore esterno c'è poco da dire, occorre un secondario a disposizione sul trasformatore di alimentazione e un circuito stabilizzatore molto accurato in quanto la griglia è molto sensibile a qualsivoglia disturbo associato alla polarizzazione. Nulla di difficile da realizzare, anche su un apparato già esistente, in commercio esistono trasformatori per circuito stampato molto piccoli (non è richiesta potenza) e che talvolta è possibile collocare senza problemi anche in amplificatori già esistenti.
I vantaggi sono sostanzialmente legati alla possibilità di regolare con precisione il punto di lavoro della valvola termoionica, anche nel caso si debba cambiare e quella in sostituzione sia leggermente diversa.
Al limite si può predisporre un trimmer per regolare singolarmente ogni valvola presente nel nostro circuito, complicando in minima parte il circuito.

Sopra a sinistra come si presenta dal punto di vista teorico il circuito con la griglia polarizzata con generatore indipendente.
Si noti la mancanza della resistenza Rk divenuta in questo esempio ai fini della polarizzazione, inutile.
A destra una polarizzazione automatica classica con Rk e Ck.

Sopra il circuito di un alimentatore per la polarizzazione della griglia.
Usa un LM7915, regolatore stabilizzato che all'uscita fornisce una tensione stabilizzata di -15Volt che viene poi regolata da 0 a -15 Volt secondo le necessità dai trimmer di taratura in uscita.
La corrente richiesta da questo alimentatore è bassissima essendo la resistenza di ingresso dell'ordine dei MegaOhm motivo per cui per dare un po' di carico all'integrato e metterlo nelle migliori condizioni per funzionare correttamente è stata messa la resistenza Rc.
Il vantaggio è che con lo stesso alimentatore si possono alimentare con tensioni diverse molte valvole semplicemente aumentando il numero dei trimmer sempre che tutte le griglie abbiano lo stesso riferimento a massa e che non sia richiesta una tensione di polarizzazione più elevata.

Nell'immagine sotto un circuito per la polarizzazione stabilizzata (con zener) per le griglie controllo delle valvole termoioniche.
I diodi Dz1 e Dz2 sono scelti in modo che l'influenza della temperatura sia limitata (in genere di tensione prossima ai 6V) il più possibile.
Ricordiamoci che questo tipo di polarizzazione non è auto-adattante come la polarizzazione automatica, quindi deve avere una stabilità maggiore e, una volta regolati i trimmer R2 ed R3 mantenere la taratura senza variazioni apprezzabili nel tempo.
Questo circuito ha due uscite, quindi è adatto a polarizzare due valvole.

Tuttavia per aumentare il numero delle uscite basta aumentare il numero dei trimmer collegati in parallelo.
Il condensatore posto in parallelo ai diodi zener serve per annullare il rumore prodotto da questi ultimi.
Il valore di R1 viene calcolato in modo che nel ramo passi una corrente molto più alta di quella assorbita dal parallelo R2 - R3 compatibilmente con la potenza dissipata dai diodi zener.
In genere R2 ed R3 hanno resistenze dell'ordine dei MegaOhm mentre R1 dell'ordine dei KΩ.

Sotto un circuito preamplificatore con triodo termoionico.
Un esempio di utilizzo della polarizzazione stabilizzata (con diodo zener) per le griglie di controllo delle valvole termoioniche.
La caduta di tensione sul diodo zener determinata dalla tensione di zener di quest'ultimo è fissa e stabile al variare delle corrente anodica che lo attraversa.
Il condensatore C3 serve per annullare gli effetti della resistenza parassita dello zener che introdurrebbe una seppur minima reazione negativa (che si assume essere indesiderata in questo caso).
C3 potrebbe, vista l'entità della controreazione introdotta, essere eliminato se non servisse anche per annullare il rumore prodotto dal diodo zener.

Nel circuito in basso nella stessa immagine a sinistra per regolare finemente il punto di lavoro della valvola è stato impiegato un trimmer che parzializza/regola la tensione negativa di polarizzazione della griglia controllo della valvola termoionica.

4 - Generatore di tensione dedicato per polarizzazione griglia di controllo e taratura del punto di lavoro

Come già detto con un banale generatore di tensione e un trimmer è possibile regolare con precisione il punto di lavoro della valvola, tuttavia è indispensabile seguire la procedura in un certo modo. Nel caso di circuiti di preamplificazione:

• Fare una regolazione grossolana, aspettare che la valvola sia ben calda e poi fare la regolazione fine.

• Se la valvola è nuova ripetere la taratura dopo un certo tempo di utilizzo.

• La regolazione si può fare in due modi, il primo regolando la tensione di griglia (con l'ingresso in cortocircuito) fino a che la tensione ai capi della valvola e quella ai capi della resistenza di carico non sono uguali, secondo, collegando un analizzatore di spettro all'uscita (sul carico) e mettendo all'ingresso una sinusoide pura (1KHz) della stessa ampiezza del segnale da amplificare e poi regolando per avere la minima produzione di armoniche all'uscita. Nel secondo modo non regoleremo la valvola per avere all'uscita la massima elongazione del segnale possibile, ma la minor distorsione possibile.

Nel caso di amplificatori di potenza single ended:

• Eseguire una taratura grossolana rispettando il valore di bias della valvola finale operando a valvola calda, poi ripetere la taratura dopo un po' di rodaggio.

• Senza discostarsi troppo dal valore di bias dato dal costruttore o calcolato (nel caso in cui il progetto sia il vostro) collegare un analizzatore di spettro all'uscita (sul carico) mettendo all'ingresso una sinusoide pura (1KHz) della stessa ampiezza del segnale da amplificare e poi regolando per avere la minima produzione di armoniche all'uscita.

Circuito di taratura del punto di lavoro di un triodo preamplificatore: Il voltmetro V serve per regolare, agendo sul trimmer del generatore di tensione che polarizza la griglia di controllo (schematizzato con Gen)), il punto di lavoro in modo che la tensione ai capi di V1 sia esattamente la metà di Vcc, mentre l'oscilloscopio con analizzatore di spettro (Osc.A.S.) serve per utilizzare il metodo della regolazione per la minima distorsione armonica in cui si ricerca quest'ultima sempre variando la tensione con "Gen".

5 - Generatore di tensione dedicato per polarizzazione griglia di controllo: problemi e complicazioni

Uno dei problemi che potremmo avere con questo tipo di approccio si manifesta nella misura in cui volessimo utilizzare la resistenza posta sul catodo per implementare una reazione negativa allo scopo di linearizzare il comportamento dell'amplificatore o ridurne l'amplificazione. In questo caso per poter regolare la tensione a piacere il circuito che dovremmo utilizzare sarà un po' più complesso.

Nell'immagine sopra un alimentatore duale per polarizzazione della griglia controllo.
In questo modo è possibile polarizzare la griglia controllo qualsiasi sia il valore di Rk e indipendentemente dalla controreazione.
Potremmo anche polarizzare la griglia ad un potenziale negativo inferiore della tensione che abbiamo ai capi di Rk fino ad arrivare a polarizzarla positivamente (per assurdo, in questo caso).
Dal punto di vista quantitativo la tensione di polarizzazione è data dalla somma delle tensioni VRk (tensione ai capi di Rk) e la tensione prodotta dal generatore dedicato che nel caso visto sopra va da +VDZ1 a -VDZ2.
Anche in questo caso si tratta di un generatore di tensione, quindi la potenza richiesta dal punto di vista teorico è zero e questo determina la possibilità di utilizzare capacità di livellamento abbastanza piccole.